毕业设计（论文）-金属圆罐封盖机结构设计.doc

本科学生毕业论文论文题目：金属圆罐封盖机结构设计学 院：机电工程学院年 级：2015级专 业：机械设计制造及其自动化姓 名：学 号：指导教师： 2019 年 5 月 10 日摘要本文是针对金属圆形罐头的密封机构的设计。本次设计的目的是降低人工成本，提高密封质量，增加罐头产量。此结构主要由两个齿轮和两个凸轮控制卷边滚子做周旋转和封罐的离合。电机带动皮带轮，皮带轮带动中间轴旋转，中间轴上有两个齿数不同的齿轮，与之啮合的齿轮带到导杆运动，导杆上端沿着凸轮槽运动，导杆下端上连接卷边滚轮，滚轮做密封操作。本文对封罐机的结构做了设计及分析，设计出一套可行的方案并进行相关计算，其中包括卷边滚轮设计，凸轮轮廓设计，齿轮设计计算等，使用制图软件画出相应的工程图，本文使用Proe5.0和CAXA cad电子图版对其进行绘图，能够清楚的展现立体和平面结构。关键词封罐机；二重卷边；凸轮设计；直齿轮设计全套图纸加扣 3012250582AbstractThis paper is aimed at the design of sealing mechanism for metal round cans. The purpose of this design is to reduce labor costs, improve sealing quality and increase the output of cans.This structure mainly consists of two gears and two cams to control the rollers to rotate and seal the tube. The motor drives the pulley, the pulley drives the middle shaft to rotate. There are two gears with different teeth on the middle shaft. The gears meshing with the pulley move to the guide rod. The upper end of the guide rod moves along the cam groove. The lower end of the guide rod is connected with the rollers, and the rollers are sealed.This paper designs and analyses the structure of the tank sealing machine, designs a set of feasible schemes and carries out relevant calculation, including the design of rollers, cam contour, tooth number design and so on. The corresponding engineering drawings are drawn by using the drawing software. This paper draws them by using Pro 5.0 and CAXA CAD electronic plate, which can clearly show the three-dimensional and plane structure.Key wordsSealing machine; Double curling; Cam design; Spur gear designII目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 设计目的11.2 设计背景11.3 设计题目与分析1第二章 方案设计22.1 刀转式封罐机22.2 罐体旋转式封罐机22.3 方案比较3第三章 主要零部件设计43.1 卷边滚轮设计43.1.1 卷边内外规格要求43.1.2 卷边过程分析53.1.3 绘制卷边滚轮零件图73.2 凸轮轮廓设计83.2.1 头道凸轮设计83.2.2 二道凸轮设计要求123.2.3 结构优化整合123.2.4 绘制凸轮零件图133.3 齿轮设计133.3.1 齿轮设计参数133.3.2 选定齿轮类型、材料、传动比及齿数143.3.3 按齿面接触强度设计143.3.4 按齿根弯曲强度设计163.3.5 绘制齿轮零件图18第四章 总装图与功能分析19结论21参考文献22致谢23金属圆罐封盖机结构设计第一章 绪论1.1 设计目的密封包装在人们生活中随处可见，密封的机械在各行各业中也应用的十分广泛，比如封口机，封盖机，封罐机等，用于制药，日化，食品，饮料，化工等行业。罐头食品可长期保持良好的品质，为消费者提供卫生和营养的食品。因此需设计一款针对于金属圆罐的密封机器，该机器要能密封罐头盖为直径60毫米，罐高为72毫米的产品。1.2 设计背景市面上有许多类型的封罐机，根据使用的特点可分为刀转式封罐机和罐式旋转封罐机。根据自动化程度，可分为半自动封罐机和自动封罐机。半自动封罐机一般由手板封罐机，气动封罐机和电动封罐机组成。一般适用于小型企业生产，单件生产，小批量生产工厂。而自动封罐机一般用于自动化生产线和批量生产线。由于该模型是从钻孔机转换而来的，目前的家用封口机是大而笨重的封口机。但是成本高，产量高，技术质量高，深受大企业的青睐。1.3 设计题目与分析设计一款封罐机，实现金属圆罐盖与桶连接处的卷边封罐工作。该机构使用两个齿轮和两个凸轮控制卷边滚子做整圆周旋转与滚子和封罐的离合。通过分析题目，可以得知所需要设计的机械结构需要具备以下功能：1. 运动相同，速度不同的齿轮2. 齿轮带动滚轮旋转3. 凸轮控制滚轮的进给第二章 方案设计根据使用特点分类的封罐机，设计两种方案，一是刀转式封罐机，二是罐体旋转式封罐机。2.1 刀转式封罐机如图2-1所示，齿轮1固定地连接到转盘2，齿轮3固定到旋转套筒4和凸轮5，6。 齿轮1带动导杆7、9转动，两个导杆的上端安装了滚子并与凸轮5、6轮廓接触； 与齿轮3同步旋转的5，6使头道卷封轮8和二道卷封轮10进行径向进给运动以完成密封操作。 罐身13安装在上压头11和下压头12之间。 由于齿轮1和齿轮3的转速不同，转盘2与凸轮5、6的转速也不同，保证凸轮转完一周才完成封罐。图2-1 封罐机工程图此方案结构简单、紧凑，加工制造方便。2.2 罐体旋转式封罐机如2-2所示，上压头7与行星齿轮2同轴，摆杆4与卷边滚轮6同轴，中心齿轮1旋转带动上下转盘3、9和行星齿轮2旋转，与行星齿轮同轴的上压头旋转，摆杆4安装在上转盘上，摆杆上的滚子沿着固定凸轮轮廓运动，根据凸轮轮廓摆动着卷边滚轮6，完成进给运动。图2-2 罐身旋转型封罐机卷封机构此机构的优点是可根据封罐工艺设计凸轮形状，密封各种形状的罐体盖，具有良好的工艺性结构相对复杂，确定是体积大。另外在工作时，罐身既有公转，又有自转，其内填充物将形成旋转抛物面，影响密封效果，从而降低罐头的保质期，因此该方案要求的转速不能太高。2.3 方案比较对于罐体旋转式封罐机，它的优点对设计要求并没有影响，反而缺点限制了齿轮的转速，而刀旋转式封罐机的优点符合设计要求，因此选择刀旋转式封罐机作为基础进行设计。第三章 主要零部件设计3.1 卷边滚轮设计3.1.1 卷边内外规格要求一 卷边外观要求（1）卷边顶部要圆滑，无向内突起的起筋和碎裂。（2）卷曲的下部光滑，没有牙齿，铁舌，弯曲形状，损坏和接缝卷边松动等缺陷。I. 牙齿：指桶顶钩卷边不良，于卷边下部形成突起。II. 铁舌：指卷边局部下垂，宽度超过卷边宽度1.2倍。III. 接缝卷边松动： 指接缝部分，由于卷压力不足，卷曲松动。二 卷边内部要求(1)要求罐身钩和罐顶钩平服，无波浪形，上空隙Uc和下空隙Lc尽量小，如图3-1图3-1 卷边内部结构(2)重叠率：卷边内部桶身钩和桶顶底钩重叠率要超过45%以上。=(BH+CH+1.1tc-W)/W-(2.6tc+1.1tb)100%3.1.2 卷边过程分析卷边是封罐机密封的关键的工序。卷边质量与密封质量直接相关。要获得理想的卷边，首先需要设计理想的卷边曲线。为此做以下分析：一、卷边形成与卷边滚轮运动轨迹当密封机器工作时，传动机构将罐体和罐的顶部供给到工作台，同时在进给卷绕轮的同时旋转工件。用于密封操作的第一道卷边轮将罐体和罐的顶部堆叠并折叠成所需形状。 完成一次绕线操作后，在凸轮的作用下，第二道卷边轮径向朝向待压制的中心进给，使得卷曲的凸缘更靠近罐体，最后变成紧密钩状的凸缘。图3-2显示了卷边的形成。左图显示了第一道卷封的起点和终点。右图显示了第二道卷封的起点和终点。图3-2二重卷边示意图在卷边密封过程中，卷曲滚轮和罐的顶部相对于彼此移动，并且卷曲轮围绕罐体旋转并且朝向罐体的中心进行径向移动。转速是影响生产效率的主要因素。滚轮的每次旋转，卷绕轮的径向进给量S可由下式表示：S=(a1-a2)/nZ (mm/r) （3-1）式中：a1当卷封轮开始滚动时，卷封轮中心与罐体中心之间的距离（mm）；a2当卷封轮完成密封操作时，卷封轮中心到罐体中心距离（mm）；n当卷封轮径向推进a1-a2时，主轴上卷封轮的转数（r）；Z同时做同一作业卷封轮个数。应取n的最小值。 通常取第一个密封nmin2，第二个密封nmin4。n可使卷曲光滑，但n过大，尤其是n4后，密封质量不明显，但影响生产能力。二、卷封轮的理想卷曲曲线分析卷封轮是卷封操作不可或缺的工具。通过卷封轮强制地压紧罐体和罐的顶部来实现紧密配合。为了在卷封期间使罐体和罐体顶部卷曲和变形，卷封轮的设计必须使得卷边过程是渐进的并且变形阻力最小化。卷封轮径向进给运动轨迹，如图3-3所示。图3-3 卷封轮径向进给运动轨迹该图显示了一组卷封轮进行卷边时卷封轮的径向进给。封卷时的总径向进给距离对于每种类型的罐头应该是恒定的。它由第一道卷封轮和第二道卷封轮或甚至第三道卷封轮完成。当罐的顶部刚被挤压时，卷封轮的径向进给不包括在总径向进给距离当中。根据卷曲过程中的变形程度和确保卷曲质量，第一卷封轮的径向进给距离一般为总径向进给距离的70-80。第二道为20-30。为了不影响卷边质量、生产效率以及获得优异的密封质量，不应选择S太大。参照现有的封口机型号，选取S总=4.7mm，第一道滚轮径向进给量，第二道S2=1.2mm。当Z = 2时，它通过圆化和连接多个弧形曲线形成。如图3-4所示，由于不同的卷封要求，第一和第二卷封轮的工作曲线是不同的。第一轮需要罐体和罐体的顶部和底部凸缘相互卷起并重叠，使得罐体顶部和底部凸缘的周边卷曲到罐体的根部。径向进给位移大，工作曲槽窄而深，形状复杂。它是形成卷边的主要滚轮。第二道卷封轮继续滚动成品挤压，使其成为双压接缝，使得缠绕曲线工作面为宽而浅的凹槽。图3-4二重卷边滚轮曲线由以上分析计算可得：一道滚轮参数r2=18mm；r3=12mm；r4=4mm；r5=mm；二道滚轮参数r2=6mm；r3=25mm；r4=30mm；r5=14mm。3.1.3 绘制卷边滚轮零件图根据以上数据及分析，绘制滚轮零件图如图3-5和图3-6图3-5 二道卷边滚轮图3-6 头道卷边滚轮3.2 凸轮轮廓设计3.2.1 头道凸轮设计一 设计要求1、推杆类型：对心直动滚子推杆2、工作条件：高速轻载3、对导杆的运动要求为：当凸轮旋转30，导杆向罐体中心偏移8mm(装卸)当凸轮旋转77，导杆向中心偏移3.5mm(进给)当凸轮旋转190，导杆保持当凸轮旋转30，导杆远离罐体中心偏移11.04mm当凸轮旋转33，导杆保持不变二 确定凸轮基本尺寸表3-1 运动规律参数的最大值运动规律最大速度Vmax(h/0)最大加速度amax(h2/20)最大跃度jmax(h3/30)适用场合等速运动1.00低速轻载等加速运动2.004.00中速轻载余弦加速度1.574.93中低速重载正弦加速度2.006.2839.5中高速轻载五次多项式1.885.7760.0高速中载设初步确定凸轮的基圆半径r0=50mm，推杆滚子半径rr=10mm。其次要选定推杆的运动的运动规律，因其工作条件为高速轻载，因选用amax和jmax较小的运动规律，以保证推杆运动的平稳性和工作精度。由表3-1可知，本推程运动规律可选用正选加速度运动规律，回程运动规律可选用五次多项式运动规律三 理论廓线对于对心直动滚子推杆盘型凸轮机构，凸轮的理论廓线的坐标公式 （3-1）其中e=0，s0=r0，求得式中，位移s应分段计算:1) 一推程阶段 01=30=/62) 二推程阶段 02=77=77/1803) 远休止阶段 03=190=19/184) 回程阶段 04=30=/65）近休止阶段 05=33=11/606）推程段的压力角和回程角 取计算间隔为5，将以上各相应值带入公式3-1计算理论轮廓线上各点坐标值。在计算应注意：在一推程阶段取=1，二推程阶段取=01+2在远休止阶段取=01+02+3，在回程阶段取=01+02+03+4，在近休止阶段取=01+02+03+04+5。计算结果见表4-2四 工作廓线凸轮工作方程式 （3-2）式中“-”号用于内等距曲线，“+”号用于外等距曲线。由公式3-2得 其中：1) 一推程阶段 1=0,/62) 二推程阶段 2=0,77/1803) 远休止阶段 3=0,19/184) 回程阶段 4=0,/65) 近休止阶段 5=0,11/60计算结果可得凸轮工作廓线各点的坐标可见表3-2表3-2 凸轮理论和工作廓线坐标值xyxy00.0050.000.0040.0054.3049.153.6038.46108.6549.037.2637.641513.2949.5811.2237.51340-17.1046.98-14.3639.72345-12.9448.30-10.8740.37350-8.6849.24-7.2940.63355-4.3649.81-3.6640.513600.0050.000.0040.00推程段的最大压力角为18.37，相应的凸轮转角位45；回程的最大压力角为25.03，相应的凸轮转角位210。由于凸轮的最大压力角远小于许用压力角，故如有必要，凸轮基圆半径可适当减小。凸轮的轮廓曲线见图3-7。图3-7 凸轮理论曲线和工作曲线3.2.2 二道凸轮设计要求1、推杆类型：对心直动滚子推杆2、工作条件：高速轻载3、对导杆的运动要求为：当凸轮旋转30，导杆向罐体中心偏移8mm(装卸)；当凸轮旋转22，导杆向中心偏移1.2mm(进给)；当凸轮旋转234，导杆保持；当凸轮旋转30，导杆远离罐体中心偏移9.2mm；当凸轮旋转44，导杆保持不变。以下设计过程与头道凸轮设计一样，不做详细说明。3.2.3 结构优化整合为使结构更加紧凑、体积更小，将进给两个凸轮和轴套设计成整体式如图3-8所示，由于结构配置上的特殊性，如图3-9所示，头道凸轮曲线应超前二道凸轮曲线30，这样头道、二道滚轮才能做到真正同步。 图3-9 工作循环图图3-8 三维立体图3.2.4 绘制凸轮零件图图3-10 凸轮零件图如图3-10所示，将两个凸轮分成上下两部分，是为避免滚子在凸轮槽内滚动时，滚子所连接导杆可能出现干涉的问题。3.3 齿轮设计3.3.1 齿轮设计参数图3-11为封罐机传动简图，电机与小带轮直接相连，小带轮与大带轮用皮带相连。大带轮带动中间轴旋转，用中间轴上的齿轮将转矩传动过去。现在已知电动机型号Y90L-4,转速1400r/min,额定功率1.5kw,皮带轮主动轮与传动轮的传动比为2.9，封罐机大小齿轮在同一轴心，不同轴上，大齿轮带动凸轮旋转，转速需要160r/min,小齿轮带动转盘旋转，转速需要96r/min。1、2-封罐机大小齿轮 3、4中间轴大小齿轮 5皮带轮 6电机图3-11 封罐机传动简图3.3.2 选定齿轮类型、材料、传动比及齿数1） 选用直齿圆柱齿轮传动2） 查表选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，两者材料硬度差为40HBS。3） 中间轴转速由电机和皮带轮传动比可求n=1400/2.9 r/min=482r/min再由封罐机大小齿轮所需转速与中间轴转速可知传动比，i1=482/1603 i2=482/9644） 选封罐机小齿轮齿数为20，大齿轮齿数为24，则中间轴大小齿轮为96,60。3.3.3 按齿面接触强度设计设计计算公式 （3-3）一 确定公式内的各计算数值1） 试选载荷系数Kt=1.32） 计算小齿轮传递的转矩3) 查表选取齿轮系数。4) 查表得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa。5) 查图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。6) 由公式 （3-4）由公式3-4计算应力循环次数：7) 查图得取接触疲劳寿命系数KHN1=0.9；KHN2=0.958) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由公式 （3-5）可以算得：二 计算1） 试计算小齿轮分度圆直径d1t，带入较小的值。1） 计算圆周速度v2） 计算齿宽b3） 计算齿宽和齿高之比b/h模数齿高4） 计算载荷系数根据v=0.47m/s,7级精度，有机械设计图10-8查得动载系数Kv=1.05；直齿轮，；查表得使用系数KA=1；查表用插值法算得7级精度、小齿轮相对支撑非对称布置使，由，查图得故载荷系数5） 按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径，由公式 （3-6）可以算得：6） 计算模数m3.3.4 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式 一 确定公式内的各计算数值1） 查图得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限；2） 查图取弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85，KFN2=0.88；3） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，有公式3-5可得：4） 计算载荷系数K5） 查取齿形系数查表得 YFa1=2.80；YFA2=2.22。6） 查取应力校正系数。查表得 YSa1=1.55；YSa2=1.73。7） 计算大小齿轮的并加以说明。大齿轮的数值大二 设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可选取弯曲强度算得模数1.485mm并就近圆整为标准值m=1.5mm,按接触强度算得的分度圆直径d1=30.25mm，算出小齿轮齿数这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。3.3.5 绘制齿轮零件图图3-12大齿轮零件图如图3-12所示，齿轮与轴套是用半圆键连接，因此齿轮上需要铣出一个键槽。第四章 总装图与功能分析图4-1为封罐机的主视图，图4-2位封罐机的侧视图。两张图大体上反映了此封罐机的结构。如下图所示，封罐机可通过以下结构实现如题目所说的几种功能。工作原理从输入至输出，依次为：1. 电机17与小皮带轮26直接相连，小皮带轮26带动大皮带轮24做旋转运动，大皮带轮带动中间轴旋转，中间轴上的两个齿轮与轴采用键连接，并与零件2和4相互啮合。2. 零件2与零件4是运动相同转速不同的齿轮，齿轮2与转盘14固连，绕上压头旋转。齿轮4与凸轮槽固连绕内长轴套7旋转，利用齿轮的差速，来实现导杆在凸轮槽中运动。3. 导杆29上下用键连接摆杆，上摆杆连接滚子，滚子在凸轮槽中运动，下摆杆连接卷边滚轮，完成密封操作。图4-1 封罐机的主视图4. 转盘14带动导杆旋转，上摆杆根据凸轮轮廓控制导杆的旋转角度，下摆杆根据旋转的角度控制密封进给量。5. 罐体15安装在上压头8和16下压头之间。图中零件关系键连接关系的有：导杆29与上下摆杆27、37，齿轮2与轴套，齿轮4与内长轴套；螺纹连接关系的有：上下带座轴承、卷边滚轮与下摆杆用扣紧螺母、电机于箱体之间，上下摆杆与滚子和滚轮中间用轴瓦连接。图4-2 封罐机的侧视图结论通过对大量的原理和方案选择，又经过了零件参数的计算，最终设计出此项机械结构。采用了二重卷边的封罐原理，电机带到皮带轮，再用齿轮传递扭矩，两个齿轮带动导杆绕罐体旋转并且在凸轮槽里移动完成封罐操作。该封罐机适用于小企业生产，单件生产，小批量生产的工厂。拥有操作简单、结构紧凑、噪音小、效率高，可连续运行，故障率低，维护成本低等优点。虽然已经完成了对基本要求的实现，但是仍然有许多不完美之处，倘若可以改进，那么在此结构的基础上，可以实现在以下的两个方面：1. 此封罐机是半自动封罐机，所以可以添加新的功能，比自动升降罐体。2. 可以优化结构，实现减轻运动过程中零件与零件之间的磨损，提高封罐机的使用寿命。本次毕业设计运用到了很多不同老师教授的课程内容，将这些知识整合到一个机器上，许多没记住甚至是没理解的知识，我又重新看书梳理一遍，回想老师所讲述的课程内容，将这些知识学习会了，我认为这是我在此次设计中最大的收获。参考文献1 机械设计手册编委会. 机械设计手册.北京：机械工业出版社，2007。2 胡宗武等主编.非标准机械设备设计手册.北京：机械工业出版社，2002。3 毛谦德，李振清.袖珍机械设计师手册. 北京：机械工业出版社，2006。4 濮良贵.机械设计第八版.北京：高等教育出版社，2007。5 刘品.机械精度设计与检测基础.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007。6 刘鸿文.材料力学.北京：高等教育出版社，2011。7 宋宝玉.机械设计课程设计指导书.北京：高等教育出版社，2006。8 朱金生，凌云.机械设计实用机构运动仿真图解M.北京:电子工业出版社，2014。9 成大先.机械设计手册.单行本.机械传动.北京：化学工业出版社，2004。10 成大先.机械设计手册.单行本.连接与固定.北京：化学工业出版社，2004。11 成大先.机械设计手册.单行本.减（变）速器电机与电器.北京：化学工业出版社，2004。12 成大先.机械设计手册.单行本.轴及其连接.北京：化学工业出版社，2004。13 何铭新等主编.机械制图.北京：高等教育出版社，2010。14 孔午光.高速凸轮M.北京：高等教育出版社，1992。15 石永刚，吴央芳.凸轮机构设计与应用创新M.北京：机械工业出版社，2007。22致谢随着毕业设计六个月时间的流逝，我的毕业设计的设计课题也在我的脑海中逐渐成型。从假期开始我便着手构思着一课题，并且小有成就。但是刚一开学的第一周和导师汇报的时候就出现了问题。和导师的沟通中我发现我刚开始选择的原理和方案过于复杂，而且不光不容易实现，而且结构不紧凑，定位没有标注。我并没有沮丧，因为和导师的讨论过程中，导师给我开阔了另一种新的思路。于是我更换了原理方案开始了正式的设计过程。在第三周的汇报中，导师指出我零件参数过大，不符合产品的定位，于是我再次修改，在第五周的时导师指出我凸轮结构的问题，并且指导我修改了凸轮槽，而在第六周又发现导杆在凸轮槽中出现干涉的现象，于是又优化了凸轮槽的结构。我没办法解决由于设计能力和设计水平的不足出现的问题，我的导师总是能给出很好的建议，从而解决问题。从开学的第一周直到毕业设计答辩的这一周，每一周导师都会要求我们定时汇报，就算有事也会提前改动时间。在汇报过程中，每个人设计图纸他都会仔细分析，在此对我的导师悉心的指导表示感谢。23